DE4023067A1 - Magnetschwebetechnik in kombination mit dem asynchronen linearantrieb - Google Patents

Description

Um eine einfache Konfiguration des Fahrwegs für Magnet­ schwebefahrzeuge mit asynchronem Antrieb zu erzielen, wurden verschiedene Vorschläge gemacht. So ist z. B. be­ kannt, den doppelseitigen Linearmotor mit Reaktionsschiene in Fahrzeugmitte anzuordnen und im Querschnitt mit U-förmi­ gen Tragmagneten zu kombinieren, die an den seitlich ange­ brachten (U-förmigen) Schienen tragen. Diese Lösung wird insbesondere wegen der begrenzten Standsicherheit und dem damit verbundenen Störfallrisiko für Anlagen mit größeren Geschwindigkeiten vermieden.

Der einseitige Linearmotor erzeugt sowohl Vortriebskräfte als auch Normalkräfte. Letztere sind allerdings vom Betriebszustand (der Vortriebsbildung) abhängig und zum Tragen eines Fahrzeugs zu klein. Die üblicherweise vorge­ sehenen Aluminiumbeläge für die Führung der Wirbelströme des Sekundärteils mindern die ausführbare Luftspaltinduk­ tion des Motors und tragen dazu bei, daß die Normalkraft den erforderlichen Wert nicht erreicht. Dies verleitet dazu, daß sogar eine Konfiguration angewendet wird, bei der der einseitige Linearmotor auf der Oberseite der Trag­ schiene so eingesetzt wird, daß seine Normalkraft gewichts­ vergrößernd wirkt. Letzteres hat zur Folge, daß die Trag­ magneten mit ihrer Erregeranordnung und der Leistungsaufbe­ reitung entsprechend verstärkt ausgelegt werden müssen.

Schließlich ist auch bekannt, daß der Linearmotor zum Tragen des vollen Fahrzeuggewichts dann herangezogen werden kann, wenn er dafür dimensioniert wird und die Frequenzum­ richter so bemessen und geregelt werden, daß die magne­ tische Flußdichte im Spalt zur Stabilisierung der Tragkraft ausreichend ausgesteuert werden kann. Dies aber bedeutet für Einsatzbedingungen bei höheren Geschwindigkeiten eine sehr starke Überdimensionierung von Motor und Leistungs­ elektronik im Vergleich zu der nur für die Vortriebsbildung bemessenen Auslegung.

Geht man davon aus, daß die Leistungsumformung für den Linearantrieb an Bord des Fahrzeuges erfolgt, so bedeutet eine größere Bemessung der Umrichter um mehr als einen Faktor 2 eine nicht zu vertretende Entwurfsbehinderung für das Schwebefahrzeug.

Zu den angestrebten Zielen nach Einfachheit und Zweckmäßig­ keit für den hier zu beschreibenden Vorschlag gehören dem­ nach folgende Merkmale:

• - Die Funktionen Tragen, Antreiben und Führen sollen an einer Schienenanordnung erfolgen.
• - Der Linearmotor soll mit seiner Normalkraft zur magne­ tisch erzeugten Tragkraft beitragen, ohne daß der Fre­ quenzumrichter des Motors (ausschließlich) zur Trag­ kraftstabilisierung herangezogen wird.
• - Der Linearmotor wird in Verbindung mit Magnetkreisen betrieben, die keine Behinderung der Schubkraftbildung bewirken, die Normalkraftbildung verstärken und einfach über Gleichspannungssteller geregelt werden können.
• - Durch die vorgeschlagene Kombination von geregelter Nor­ malkraftbildung in Funktionseinheit mit dem Linearmotor kann letzterer mit kleinem Spalt und damit günstigen Leistungsdaten betrieben werden.

Der gemäß der Patentanmeldung und deren Schutzansprüchen formulierte Vorschlag dient somit dem Ziel der Verein­ fachung der Fahrweg- und Fahrzeuganordnung, der Reduktion der Fahrzeugmasse sowie einer Leistungssteigerung des An­ triebskonzepts.

Die vorgelegte Beschreibung des Erfindungsgedankens ist durch mehrere Bilder ergänzt. Sie zeigen im einzelnen:

Fig. 1a-1e Linearmotorquerschnitte mit unterschiedlicher Gliederung der Blechpakete und verschiedenen Sekundärwicklungen.

Fig. 2a-2b Linearmotor in Kombination mit normalkrafter­ zeugendem Tragmagnet und Käfigwicklung im Sekundärteil.

Fig. 3a-3b Tragkraftkennlinien-Diagramme für Tragmagnet und Motor.

Fig. 3c Stromzeigerdiagramm für zwei verschiedene Luftspaltgrößen bei Tragkraftstabilisierung.

Fig. 4 Linearmotor mit integriertem Tragkraft- Magnetkreis, Permanentmagnet für Grunderre­ gung, elektrische Erregung für Stabilisie­ rung.

Fig. 5 Flußdichte und Normalkraftverteilung für linke und rechte Motorhälfte.

Fig. 6 Konzeption zur Erzeugung einer stabilwirken­ den Tragkraft und einer geregelten Seiten­ kraft.

Fig. 7 Zu Anordnung 6 alternative Konfiguration mit umgreifenden Magneten.

Beschreibung Die Gliederung der Blechpakete

Die in Fig. 1a im Querschnitt dargestellte Linearmotor- Variante erzeugt als einseitig wirkender Motor Vortriebs- und Normalkraft. Letztere reicht zum Tragen des Fahrzeugs nicht aus. Das oben liegende Maschinenteil (Sekundärteil des Motors) bildet gleichzeitig die feststehende Reaktions­ schiene. Das untere Maschinenteil, das aus Blechpaket P1 und Primärwicklung W1 besteht, befindet sich auf dem Fahr­ zeug. Die Ströme des Sekundärteils fließen in der mehrere Millimeter dicken Aluminiumschicht W2. Sie trägt zum magne­ tisch wirksamen Luftspalt bei. Die Blechpaketabmessunq beträgt im allgemeinen mehr als 10 cm, so daß bei seit­ lichem Versatz von einigen Millimetern keine nennenswerten seitlichen Rückstellkräfte auftreten. Seitliche Führkräfte müssen deshalb durch andere Funktionselemente erzeugt werden.

Als etwas günstiger erweist sich die Querschnittsanordnung nach Fig. 1b. Bei ihr ist die Aluminiumschicht durch eine im Blechpaket (in Nuten) eingelegte Käfigwicklung W1 er­ setzt. Sie ist durch diskrete Cu-Stäbe und den mit diesen verbundenen seitlichen Längsleitern aufgebaut. Bei (gegen­ über Fig. 1a) gleichgroßem mechanischen Spalt ergibt sich nun durch den kleineren magnetisch wirksamen Spalt eine günstigere Bedingung zur Erzeugung des magnetischen Feldes. Der Magnetisierungs-Strombelag verkleinert sich entspre­ chend, was zur Verringerung der Wicklungsverluste und einem günstigen Leistungsfaktor beiträgt. Der Motor kann nun z. B. auch mit kleinerer Polteilung und entsprechend höherer Pol­ zahl ausgeführt werden. Dies trägt zur Verringerung des nachteiligen Längs-Endeffekts bei. Die Wicklungsausladung und damit der durch die Wicklungsenden bedingte Wider­ standsanteil lassen sich verringern.

Eine ähnlich günstige Weiterentwicklung mit verbesserten Leistungsmerkmalen ergibt sich, wenn der Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärteil durch eine Regelung mit gutem Folgeverhalten konstant gehalten wird, Fig. 1c. In diesem Falle kann durch den kleineren Spalt (kleiner als 10 mm) eine weitere Verringerung des Magnetisierungsbedarfes bei gleicher Felddichte, oder wie gezeichnet, bei gleichem Magnetisierungsbedarf eine Vergrößerung der Felddichte er­ zielt werden. Diese Maßnahme bewirkt eine Erhöhung der Vortriebs-Kraftdichte, so daß eine Reduktion der Motor­ breite möglich ist.

Die Bilder 1d und 1e zeigen ein im Querschnitt gegliedertes Blechpaket P1 und P2. Die Wicklungen W1 und W2 sind für Primär- und Sekundärteil jeweils durchgehend angeordnet. Die Unterteilung der Pakete in schmalere Einheiten mit Zwischenräumen, deren Breite etwa der (schmal ausgeführten) Paketbreite entspricht, bewirkt eine steifere Rückstell­ kraft-Kennlinie für die seitlichen Kräfte. Bereits bei kleineren Auslenkungen entstehen so nennenswerte Rückstell­ kräfte. Diese steigen immer dann stark an, wenn die Auslen­ kung mehr als die Hälfte der Paketbreite erreicht hat. Sie sind im übrigen von B² abhängig, d. h. um so höher, je höher die Betriebsflußdichte des Motors gewählt wird. Wie oben beschrieben, hängt dies wiederum von der Größe des Luft­ spalts ab. Die Konfiguration 1e wird besonders in den Fällen angewendet, wo schmale Pakete mit hoher Luftspaltin­ duktion betrieben werden. Das kann um so eher erreicht werden, je kleiner der Luftspalt gewählt werden kann und liegt dort nahe, wo je Fahrzeug mehrere Motoreinheiten ein­ gesetzt werden.

Zusätzliche Normal- und Seitenkräfte durch Quadrupole

Eine vergleichsweise günstige Lösung der vorliegenden Auf­ gabe kann durch eine Kombination von speziellen Tragmagne­ ten mit dem Motor erzielt werden. Hierbei sind geeignete Maßnahmen zur Entkopplung des Trag-Magnetkreises vom Motor­ kreis vorzunehmen. Es muß verhindert werden, daß der Trag­ krafterzeuger mit dem Sekundärteil bei Bewegung des Fahr­ zeuges Bremskräfte entwickelt und so die Wirkung des Motors schwächt.

Die Fig. 2a und 2b zeigen die vorgeschlagene Ausführung von Motor und Tragmagnet. Es ist zu erkennen, daß die Trag­ magneten TM an den Enden des Linearmotors LM, mit diesem auf einer gemeinsamen Trägerkonstruktion T angeordnet werden. Die Vortriebsaufgabe des Motors wird durch das von der Primärwicklung W1 erzeugte Wanderfeld gelöst, das in der Sekundärwicklung Wirbelströme erzeugt, die in Wechsel­ wirkung mit dem Feld die Vortriebskraft hervorbringen. Das Wanderfeld ist entsprechend der eingezeichneten Feldlinie und der Flußdichte B¹ annähernd sinusförmig über die Motor­ länge verteilt und bewegt sich (annähernd) mit der Syn­ chrongeschwindigkeit v₀ in Vortriebsrichtung. Im Vergleich hierzu ist das magnetische Feld der Tragmagnete ein statio­ näres Feld mit der Dichte B₀. Unter Nennbedingungen kann B₀ höher gewählt werden als B₁, so daß trotz der verhältnis­ mäßig geringen Längsabmessung von TM dessen Tragkraft F_y0 größer sein kann als die Normalkraft des Linearmotors F_y1.

Beide Kraftkomponenten werden ebenso wie die Vortriebskraft F_x von der Tragkonstruktion T des Magneten auf den Fahr­ zeugkörper übertragen.

Die Fig. 2b zeigt einen Grundriß der Motor- und Magnetan­ ordnung, dem zu entnehmen ist, daß jeweils zwei nebeneinan­ der liegende Einheiten für Motor und Tragmagnetkreis vor­ liegen. Für den LM ist angedeutet, daß die Spulen der Wick­ lung W1 sich über beide Motorteile erstrecken. Beide Feld­ bereiche erfahren den gleichen Magnetisierungseffekt, der zur Erzeugung des Feldes B1 führt. Anders beim Tragmagnet: Sein magnetisches Feld soll so gestaltet werden, daß es in nebeneinander liegenden Sekundärteilen unterschiedliche Richtung aufweist (B₀ ändert das Vorzeichen). Hierdurch wird in der Käfigwicklung die induzierende Wirkung des Tragfelds unterdrückt. Die Unterdrückung setzt allerdings das Vorhandensein definierter Leiterbahnen (den Käfig) vor­ aus. Dies führt zur Anordnung eines Quadrupols als Einheit für den Tragmagnet mit einer Spulenanordnung WT, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist.

Die vom Tragmagnet erzeugte Kraft nimmt mit zunehmender Erregerdurchflutung R₀ (im ungesättigten Arbeitsbereich, quadratisch) zu. Entsprechende Kennlinien sind für jeweils konstanten Spalt in Fig. 3a dargestellt. Gegenüber dem Nennspalt δ_n sind zwei Spalte, nämlich ein vergrößerter und ein verkleinerter Spalt δ_n±δ zugrunde gelegt. Durch eine Messung des Luftspalts mit Hilfe geeigneter Spaltsensoren und einer stellbaren Stromversorgung der Magnetwicklung kann in bekannter Weise eine Stabilisierung der an sich instabilen Tragkraft-Spaltbeziehung erreicht werden.

Die hohen Luftspaltinduktionen beim Tragmagnet führen auf verhältnismäßig kleinen Platzbedarf für den Quadrupol. Zu berücksichtigen ist auch, daß infolge der sinusförmigen Verteilung der Wanderfeldinduktion des Motors bei ihm im Vergleich zu einer konstant verteilten Luftspaltinduktion B₁ nur die Hälfte der Normalkraft erzeugt wird.

Um die Stabilität der Magnetanordnung zu verbessern, ist in Bild 3b eine Tragkraft-Kennlinie des Linearmotors in Ab­ hänigkeit vom Luftspalt angegeben. Die Motor-Normalkraft wird über dessen Wechselrichter innerhalb eines größeren Luftspaltbereichs konstant gehalten, so daß die Instabili­ tät beseitigt wird. Da der zur Erzeugung des Luftspaltflus­ ses notwendige Magnetisierungsstrom proportional dem Luft­ spalt ist, muß bei kleinerem Spalt der Magnetisierungsstrom zurückgenommen und bei größerem Spalt verstärkt werden. Bild 3c deutet auf diesen Zusammenhang mit der Darstellung des Stromzeigerdiagramms der Asynchronmaschine hin. Es zeigt gestrichelt das Diagramm für vergrößerten Spalt. Bei diesem wird nun ohne Vergrößerung des Gesamt-Motorstroms und damit ohne Vergrößerung des Wechselrichters eine größere Magnetisierungskomponente durch eine Drehung des Stromes A_s gegenüber dem Zeiger des magnetischen Feldes B bewirkt. Hierdurch tritt eine (vorübergehende) Schubkraft­ minderung entsprechend der kleineren Parallelkomponente des Stromes zu B auf. Der Eingriff in die Schubkrafterzeugung ist bezogen auf das Fahrzeug und Fahrverhalten nur von geringer Bedeutung, da er an unterschiedlichen einzelnen Teilmotoren des Fahrzeugs vorgenommen wird und dort auch nur kurzzeitig erfolgt. Der Wechselrichter ist mit seinen Einheiten den gegliederten Teilmotoren anzupassen, ohne daß seine Auslegungsleistung insgesamt erhöht werden muß.

Für eine dynamisch hochwertige Regelung erweist es sich als zweckmäßig, wie in einer vorausgehenden Patentanmeldung beschrieben, die Unterteilung der Erregerwicklung des Trag­ magneten so vorzunehmen, daß eine mit niedriger Induktivi­ tät arbeitende Steuerwicklung und eine den Hauptanteil des Feldes erzeugende Wicklung mit hoher Induktivität gebildet werden.

Zur Reduktion der Erregerleistung ist es weiter zweckmäßig, die Haupterregungskomponente mit Hilfe von Permanentmagne­ ten bereitzustellen und nur den dynamischen Anteil zur Tragkraftstabilisierung durch eine elektrisch ausgesteuerte Wicklung zu erzeugen.

Auch die Anwendung beweglicher Polelemente oder die über Federelemente vorzunehmende Ankopplung des Tragmagneten an die gemeinsame Tragkonstruktion erweisen sich zur Erzielung eines günstigen Folgeverhaltens in bekannter Weise als vor­ teilhaft.

Durch die beschriebenen Maßnahmen ist erreichbar, daß an einer Schienenanordnung, die ggf. gegliederte Blechpakete aufweist, die drei Funktionen Tragen, Führen und Vortriebs­ bildung ausgeführt werden und mit sehr begrenztem Aufwand für die fahrzeuggebundenen Komponenten günstige Leistungs­ merkmale erzielt werden.

Claims (6)

1. Anordnung zur Erzeugung von Trag-, Führ- und Vortriebs­ kräften zur berührungslosen Bewegung von Fahreinheiten, die das Steuerteil zur Stabilisierung des magnetischen Tragfeldes und eine Vorrichtung zur Energiezufuhr für einen asynchronen Linearmotor enthalten sowie eine Schienenanordnung, die lamellierte Blechpakete mit mindestens einer in Nuten eingelegten Käfigwicklung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß je Fahrzeugseite ein mindestens in zwei Einheiten unterteiltes Blechpaket mit durchgehender Käfigwicklung angewendet wird, die magnetischen Normalkräfte des Linearmotors zur Stützung des Fahrzeugs eingesetzt und durch mindestens einen zusätzlichen Magnetkreis je Motoreinheit, der mit der Reaktionsschiene des Linear­ motors Tragkräfte bildet, verstärkt werden (Fig. 1d, 1e, 2a, 4) .

2. Trag-, Führ- und Vortriebsanordnug nach obigem An­ spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Linearmotors mit Hilfe einer Fluß­ dichtemessung im Luftspalt eine Normalkraftbegrenzung beinhaltet (Fig. 3b, 3c).

3. Trag-, Führ- und Vortriebsanordnug nach obigen An­ sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Magnetkreis für die Tragkrafterzeugung als Quadrupol ausgeführt ist (Fig. 2a, 2b).

4. Trag-, Führ- und Vortriebsanordnug nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Magnetkreis in der Form eines Gleich­ feldkreises dem mehrpoligen mindestens zweigeteilten Wanderfeldkreis des Linearmotors überlagert wird (Fig. 4).

5. Trag-, Führ- und Vortriebsanordnug entsprechend An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des Gleichfeldkreises durch Permanent­ magnete und einer die dynamischen Komponenten erzeu­ genden, stromerregten Wicklung besteht (Fig. 4).

6. Trag-, Führ- und Vortriebsanordnug nach obigen An­ sprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß je Fahrzeugseite mehr als zwei Teile der Linearmotor- Reaktionsschiene angeordnet und mindestens zwei Primär­ teile zur Erzeugung der Felder eingesetzt werden, so daß bei einer um 90° gedrehten Anordnung in Tragrich­ tung stabiles Verhalten mit ausreichenden Tragkräften entsteht und die Luftspaltregelung auf die seitlichen Führkräfte angewendet wird (Fig. 6, Fig. 7).